一种污泥焚烧处置进料配比控制系统及方法与流程

本发明涉及一种污泥焚烧处置进料配比控制系统及方法，属于污泥焚烧处置中干湿污泥进料配比技术领域。

背景技术：

20世纪90年代以来，污泥焚烧工艺已经成为发达国家污泥处置的主要方法之一。2000年至2012年，我国污泥处置行业进入起步阶在此期间污泥处理处置问题引起国家层面重视，有关部门先后出台多项污泥处理处置技术标准及规范，为行业的发展奠定技术基础。2013年以来，国家不断出台政策、规划以促进我国污泥处理市场的发展，并对城市污泥无害化处理的技术以及处理率进行了比较明确的规划。

目前我国污泥处理方式主要有填埋、堆肥、自然干化、焚烧等方式。焚烧方式处置污泥相较于其他几种方式具有占地小、减量明显、余热可利用、二次污染少等优点，被认为是最有前途的污泥处置方法。尤其是自持燃烧焚烧方法不需要掺加其他燃料既能达到污泥无害化、减量化处理，必将成为国内污泥处置的主要方法。焚烧处置污泥过程中自持燃烧需要稳定高效的进料配比机制，既能以相对较高负荷处置污泥，又能保持处置过程工况稳定，是污泥焚烧处置不可缺少的控制部分。通过对污泥进料配比与焚烧工况的研究，制定好的污泥进料配比控制策略，利用工业自动控制方法实现污泥进料配比稳定运行是污泥焚烧过程的重中之重。

技术实现要素：

本发明提供了一种污泥焚烧处置进料配比控制系统及方法。适用于通过流化床焚烧炉进行污泥处置的过程，根据焚烧炉工况计算最佳的干湿污泥投入比例，并根据燃烧过程实时调整，使通过流化床焚烧炉进行污泥处置的过程保持稳定自持燃烧。

一种污泥焚烧处置进料配比控制系统，包括人机接口、自动控制单元、输入/输出单元、第一变频调速单元、干污泥给料装置、第二变频调速单元、湿污泥给料装置、混料器、流化床焚烧炉、测温单元、测压单元、计量单元及阀门，软件逻辑部分包括污泥配比控制器、干污泥流量控制器、湿污泥流量控制器；变频调速单元包括第一变频调速单元及第二变频调速单元；给料装置包括干污泥给料装置及湿污泥给料装置；人机接口连接自动控制单元，自动控制单元分别连接输入/输出单元及污泥配比控制器，污泥配比控制器分别连接干污泥流量控制器、湿污泥流量控制器，输入/输出单元分别连接自动控制单元、干污泥流量控制器、湿污泥流量控制器、阀门、第二变频调速单元、测温单元、测压单元、计量单元及第一变频调速单元，第二变频调速单元连接湿污泥给料装置，湿污泥给料装置分别连接混料器、计量单元，计量单元连接干污泥给料装置，干污泥给料装置连接混料器，混料器连接流化床焚烧炉，流化床焚烧炉分别连接测温单元、测压单元。

一种污泥焚烧处置进料配比控制方法，根据焚烧炉工况计算最佳的干湿污泥投入比例，并根据燃烧过程实时调整，使通过流化床焚烧炉进行污泥处置的过程保持稳定自持燃烧。

含有以下步骤；

接收来自流化床焚烧炉温度、压力信号和污泥投入计量信号，通过预定义的算法进行污泥配比计算后，经干污泥流量控制逻辑和湿污泥流量控制逻辑运算，将控制信号输出到变频调速单元，驱动干湿污泥给料装置将当前比例的干湿污泥投入污泥焚烧炉进行燃烧处置；调整控制周期、最大控制次数、周期设定值变更率等必要的控制参数；

通过流化床焚烧炉砂床流化层温度三取高运算作为计算温度参考，周期性运行进料配比算法，获得当前干污泥供泥量设定值和当前湿污泥供泥量设定值；

通过流化床焚烧炉砂床流化层温度三取二逻辑运算完成焚烧炉进泥超调高温报警，并适时投入和切除自动控制过程；通过流化床焚烧炉上部压力完成焚烧状况超压报警，并适时投入和切除自动控制过程；

通过计量槽单位时间内的重量减量进行干污泥投入量计算；

通过计量槽称重数据高低限值决定停止或启动干污泥输送给料装置，保持计量槽内干污泥储量在一定重量范围内；

通过干污泥投入量和污泥配比控制器计算结果给出的计算干污泥供泥量设定值进行闭环运算，控制变频调速单元驱动干污泥给料机按一定速率投入干污泥，同时接收变频调速单元的状态反馈；

通过湿污泥流量与污泥配比控制器计算结果给出的计算湿污泥供泥量设定值进行闭环运算，控制变频调速单元驱动污泥泵按一定速率投入湿污泥，同时接收变频调速单元的状态反馈；

控制用于隔离混料器与湿污泥输送设备的阀门在污泥泵投入和切除时阀门的开闭动作，并接收阀门的开闭限位信号。

本发明技术方案包含污泥进料配比控制系统的整套软硬件配置，控制方式简便清晰、易于实现。根据焚烧工况计算最佳干湿污泥进料比例，大大提高污泥焚烧设备的稳定性，同时稳定自持燃烧使污泥处置设备减少辅助燃料消耗情况下保持较大的处理能力并延长维护周期。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明实施例污泥焚烧处置进料配比控制系统结构框图；

图2为本发明实施例控制系统硬件配置结构图；

图3为本发明实施例工艺控制p&id图；

图4为本发明实施例干污泥投入量计算逻辑示意图；

图5为本发明实施例污泥配比控制器流程框图。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：如图1所示，本发明控制硬件部分包括人机接口hmi1、自动控制单元as2、输入/输出单元3、第一变频调速单元4、干污泥给料装置5、第二变频调速单元6、湿污泥给料装置7、混料器8、流化床焚烧炉9、测温单元10、测压单元11、计量单元12及阀门13。软件逻辑部分包括污泥配比控制器2-1、干污泥流量控制器2-2、湿污泥流量控制器2-3。变频调速单元包括第一变频调速单元4及第二变频调速单元6。给料装置包括干污泥给料装置5及湿污泥给料装置7。

人机接口hmi1连接自动控制单元as2，自动控制单元as2分别连接输入/输出单元3及污泥配比控制器2-1，污泥配比控制器2-1分别连接干污泥流量控制器2-2、湿污泥流量控制器2-3，输入/输出单元3分别连接自动控制单元as2、干污泥流量控制器2-2、湿污泥流量控制器2-3、阀门13、第二变频调速单元6、测温单元10、测压单元11、计量单元12及第一变频调速单元4，第二变频调速单元6连接湿污泥给料装置7，湿污泥给料装置7分别连接混料器8、计量单元12，计量单元12连接干污泥给料装置5，干污泥给料装置5连接混料器8，混料器8连接流化床焚烧炉9，流化床焚烧炉9分别连接测温单元10、测压单元11。

测温单元10、测压单元11获取流化床焚烧炉9的温度、压力信号转至输入/输出单元3，经输入/输出单元3的信号隔离和模拟量输入模块转换后通过预定义的算法进行污泥配比计算，求得当前干污泥供泥量设定sv1t、当前湿污泥供泥量设定sv2t。当前干污泥供泥量设定sv1t经干污泥流量控制器2-2闭环运算后，将控制信号输出到第一变频调速单元4，驱动干污泥进料装置5给料；当前湿污泥供泥量设定sv2t经湿污泥流量控制器2-3闭环运算后，将控制信号输出到第二变频调速单元6，驱动湿污泥给料装置7给料。

如图2所示，人机接口hmi1包括工程师站(兼做操作员服务器)1-1、打印机1-2、操作员站1-3。自动控制单元2包括自动控制器主机as12-5、自动控制从机as22-4、系统总线2-6、现场总线2-7。输入/输出单元3包括输入/输出模块3-1、继电器回路3-2、信号隔离器3-3。

其中输入/输出模块3-1有数字量输入模块、数字量输出模块、温度输入模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块等。工程师站1-1用于系统配置，画面编辑，工程数据记录与报警，程序编制、下载和调试，与自动控制器的通信驱动，系统故障诊断，画面监视和控制等，同时为操作员站客户机提供画面和数据服务。

操作员站1-3用于运行人机接口hmi程序，为人为参与进料配比控制系统参数调整预留画面窗口，同时可进行历史数据和报警查询，并通过连接在系统总线上的打印机1-2输出纸质报表或曲线。报表和曲线格式已经通过数据模型形成一定输出形式的模板，根据需要选择输出的内容、时间段、必要的数据属性等。

自动控制单元2是具有故障容错功能的两台同时运行的控制器，控制器为自动控制器主机as12-5、自动控制从机as22-4，运行于两台控制器的程序完全相同，实时交换运行状态。

正常情况下，由人机接口hmi1通过系统总线2-6和现场总线2-7分别与工程师站1-1和输入/输出单元3进行数据交换，如果由于控制器故障或人为切换，自动控制器主机as12-5退出控制，自动控制从机as22-4将即时接管控制并切换为主机模式，退出的控制器故障恢复或人为启动并在线后自动切换为从机模式。

每台自动控制器有两个独立的以太网接口，分别连接系统总线2-6和现场总线2-7，完成过程数据由现场设备到人机接口hmi1的数据交换。

输入/输出模块3-1经继电器回路3-2及信号隔离器3-3输出阀门控制信号、变频调速单元控制信号和进料速率设定信号、给料装置控制信号等，同时将阀门13开关限位反馈信号、变频调速单元状态信号和进料速率反馈信号、给料装置状态信号、测温单元信号、测压单元信号、计量单元信号等输入到自动控制器。

图3显示了进料配比控制系统的工艺控制流程图。

测温单元10包含三个温度测点即上温度测点(tia1)29、中温度测点(tia2)30、下温度测点(tia3)31，分上中下布置在流化床焚烧炉9的流化层，另有测压单元(pia1)11布置在流化床焚烧炉9上部。

计量单元12包括计量槽称重单元(wiqa1)28、湿污泥流量传感器24。

干污泥给料装置5包括缓冲仓14、干污泥卸料机(m3)16、计量槽15、干污泥给料机(m1)17。缓冲仓14连接干污泥卸料机(m3)16，干污泥卸料机(m3)16连接计量槽15，计量槽15连接干污泥给料机(m1)17、计量槽称重单元(wiqa1)28。计量槽称重单元(wiqa1)28分别连接干污泥卸料机(m3)16及干污泥投入量计算器21，干污泥投入量计算器21连接干污泥流量控制器(ficq1)22，干污泥流量控制器(ficq1)22与第一变频调速单元(fc1)4连接，第一变频调速单元(fc1)4与干污泥给料机(m1)17连接，其中干污泥卸料机16通过普通电机驱动，干污泥给料机17通过第一变频调速单元(fc1)4驱动。

湿污泥给料装置7包括污泥泵(m2)18和用于隔离混料器8与污泥泵(m2)18的阀门(v1)19，其中污泥泵18通过第二变频调速单元6驱动。

污泥泵(m2)18分别连接湿污泥仓20、第二变频调速单元(fc2)6及湿污泥流量传感器24，湿污泥流量传感器24连接湿污泥流量控制器(ficq2)23、阀门(v1)19。

控制软件逻辑运算部分包含污泥配比控制器27即污泥配比控制器2-1、干污泥流量控制器(ficq1)22即干污泥流量控制器2-2和湿污泥流量控制器(ficq2)23即湿污泥流量控制器2-3。污泥配比控制器27分别连接干污泥流量控制器偏差加法器25和湿污泥流量控制器偏差加法器26。干污泥流量控制器偏差加法器25连接干污泥流量控制器干污泥流量控制器(ficq1)22；湿污泥流量控制器偏差加法器26连接湿污泥流量控制器(ficq2)23。

污泥配比控制器27完成三个控制逻辑。

第一，干污泥和湿污泥投入量计算。

焚烧炉流化层上温度测点(tia1)29、中温度测点(tia2)30、下温度测点(tia3)31取高值进行污泥配比计算。

图5显示了污泥配比控制器进行预定义算法的过程。

步骤1、判断焚烧炉流化层温度；小于770℃转向步骤3和步骤8，大于770℃转向步骤2，

步骤2、判断焚烧炉流化层温度；小于780℃转向步骤1，大于780℃转向步骤13和步骤18，

步骤3、计算干污泥供泥量控制sv1＝sv1t×(1+a)，

步骤4、判断sv1相对初始设定sv10；如果符合sv1≤sv10×(1+ka)则转向步骤5；不符合sv1≤sv10×(1+ka)则转向步骤7；

步骤5、干泥供泥量控制sv1＝sv1t×(1+a)；

步骤6、延时t1；返回步骤1；

步骤7、sv1无变更，转向步骤6；

步骤8、计算湿污泥供泥量控制sv2＝sv2t×(1-a)，

步骤9、判断sv2相对初始设定sv20；如果符合sv2≥sv20×(1-ka)则转向步骤10；不符合sv2≥sv20×(1-ka)则转向步骤12；

步骤10、湿污泥供泥量控制sv2＝sv2t×(1-a)；

步骤11、延时t1；返回步骤1；

步骤12、sv2无变更，转向步骤11；

步骤13、计算干污泥供泥量控制sv1＝sv1t×(1-a)，

步骤14、判断sv1相对初始设定sv10；如果符合sv1≥sv10×(1-ka)则转向步骤15；不符合sv1≥sv10×(1-ka)则转向步骤17；

步骤15、干污泥供泥量控制sv1＝sv1t×(1-a)；

步骤16、延时t2；返回步骤1；

步骤17、sv1无变更，转向步骤16；

步骤18、计算湿污泥供泥量控制sv2＝sv2t×(1+a)，

步骤19、判断sv2相对初始设定sv20；如果符合sv2≤sv20×(1+ka)则转向步骤20；不符合sv2≤sv20×(1+ka)则转向步骤22；

步骤20、湿污泥供泥量控制sv2＝sv2t×(1+a)；

步骤21、延时t2；返回步骤1；

步骤22、sv2无变更，转向步骤21。

sv1为计算干污泥供泥量；sv1t为当前干污泥供泥量设定；sv10为初始干污泥供泥量设定；sv2为计算湿污泥供泥量；sv2t为湿污泥供泥量设定；sv20为初始湿污泥供泥量设定；a为周期sv变更率；k为最大控制次数；t1为干污泥供泥量控制周期；t2为湿污泥供泥量控制周期。

有四个过程参数可供调整：周期sv变更率a，a调整范围0.01～0.05；最大控制次数k,k调整范围1～10；干污泥供泥量控制周期t1，t1调整范围1～10min；湿污泥供泥量控制周期t2，t2调整范围1～10min。流化床焚烧炉稳定工况下，流化层温度控制在770℃(ml)～780℃(mh)之间，在此温度区间内，污泥按当前配比进行投料。

如果流化层温度为770℃以下，则进行一轮干/湿污泥供泥量调整，调整最多可进行k次循环，每一循环增加当前干污泥供泥量设定a倍，如果达到本次调整最大控制次数或在调整期间焚烧炉流化区温度回到正常温度区间，则退出本轮调整；相应的湿污泥供泥量每一循环减少当前湿污泥供泥量设定a倍，如果达到本次调整最大控制次数或在调整期间温度回到正常温度区间，则退出本轮调整。如果流化层温度为780℃以上，同样进行一轮干/湿污泥供泥量调整，调整最多可进行k次循环，每一循环减少当前干污泥供泥量设定a倍，如果达到本次调整最大控制次数或在调整期间焚烧炉流化区温度回到正常温度区间，则退出本轮调整；相应的湿污泥供泥量每一循环增加当前湿污泥供泥量设定a倍，如果达到本次调整最大控制次数或在调整期间温度回到正常温度区间，则退出本轮调整。

人机接口hmi上可调整周期sv变更率、最大控制次数和控制周期，选择最佳设定可使焚烧过程更加稳定。

第二，设定焚烧炉流化层温度超调高温报警限值，焚烧炉流化层温度三取二逻辑运算判断超调高温报警，报警触发时切除自动控制过程，移交控制权限，报警解除后提示系统自动控制投入时机供操作人员参考。

第三，设定焚烧炉上部压力超压报警限值，报警触发时切除自动控制过程，移交控制权限，报警解除后提示系统自动控制投入时机供操作人员参考。

干污泥流量控制器完成三个控制逻辑。

第一，通过计量槽计算周期t内的重量减量进行干污泥供泥量计算，t以分钟计。

图4显示了干污泥供泥量计算逻辑示意。

计算步骤如下：

1、记录计量槽当前计算周期前10个周期内重量减量dw1、dw2、dw3…dw10；

2、当前计算周期前10个周期内重量减量值的合值为dfn，dfn乘以(60/10t)作为1小时投入量换算值fn，fn在每一个计算周期内进行一次数值更新；

3、污泥给料装置m3运行期间，dwn值保持为给料装置运行前一个周期的dwn-1值。

4、计算周期可在人机接口hmi上调整，hmi调整范围0.5～2.5min。

第二，判断计量槽称重低限时启动干污泥给料装置给计量槽补料，称重高限时停止干污泥给料装置。如此保持计量槽内干污泥储量在一定重量范围内。

第三，通过干污泥投入量计算结果fn和污泥配比控制器计算结果给出的计算干污泥供泥量设定值sv1进行闭环运算，控制变频调速单元驱动干污泥给料机按一定速率投入干污泥，同时接收变频调速单元的状态反馈。

湿污泥流量控制器完成两个控制逻辑：

第一，通过湿污泥流量测量值与污泥配比控制器计算结果给出的计算湿污泥供泥量设定值sv2进行闭环运算，控制变频调速单元驱动污泥泵按一定速率投入湿污泥，同时接收变频调速单元的状态反馈；

第二，当污泥泵投入运行时打开阀门(v1)19，污泥泵退出运行时关闭阀门(v1)19，同时接收阀门(v1)19的开闭限位信号。人机接口hmi上可设定干污泥流量控制器和湿污泥流量控制器闭环控制参数，选择合适的控制比例增益和积分时间，使被控污泥投入量以最快速度追随进料配比控制器的输出并保持稳定。

实施例2：

一种污泥焚烧处置进料配比控制系统及方法，包含控制硬件部分和控制软件逻辑运算部分。控制硬件部分包括人机接口、自动控制单元、输入/输出单元、变频调速单元、湿污泥给料装置、干污泥给料装置、混料器、计量单元、测温单元、测压单元。控制软件逻辑运算部分包括污泥配比控制器、干污泥流量控制器、湿污泥流量控制器。

自动控制单元接收来自流化床焚烧炉温度、压力信号和污泥投入计量信号，通过预定义的算法进行污泥配比计算后，经干污泥流量控制逻辑和湿污泥流量控制逻辑运算，将控制信号输出到变频调速单元，驱动干湿污泥给料装置将当前比例的干湿污泥投入污泥焚烧炉进行燃烧处置。同时人机接口提供人为参与控制和监视焚烧处置过程的接口，通过调整控制周期、最大控制次数、周期设定值变更率等必要的控制参数使配比控制系统长时间保持稳定。

污泥焚烧处置进料配比控制系统适用于通过流化床焚烧炉进行污泥处置的过程，经进料配比控制系统控制的设备投运后无需添加其他燃料既能够保持稳定自持燃烧，并且系统适合湿污泥含水率20％～30％，干污泥含水率75％～82％，污泥干燥基低位热值5mj/kg，高位热值11～16mj/kg的广泛情况。

自动控制单元包括两个具有故障容错功能的冗余控制器，以及连接控制器与人机接口的系统总线和连接控制器与输入输出设备的现场总线，每个冗余控制器有两个独立以太网接口，分别连接系统总线和现场总线。

两个冗余控制器中有一台处于主机状态，另一台处于从机状态，如果主机因故障或人为停机，从机将切换为主机状态，并可完成所有的控制任务，因故障或人为停机的控制器恢复工作后将自动切换为从机。

人机接口包括一台用于工程师站(兼做操作员服务器)的工业计算机、一台用于操作员客户端的工业计算机和一台用于监控系统数据模型纸质输出的打印机。工程师站和操作员站上运行人机接口程序，用于编辑、运行设备状态画面、数据通讯和状态显示，并为人为参与进料配比控制系统参数调整预留画面窗口。

输入/输出单元包括与现场仪表、阀门、可执行机构进行数据交换的数字量输入模块、数字量输出模块、温度输入模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、继电器回路以及模拟量信号隔离器。

输入/输出单元接收现场仪表、阀门、变频调速设备的反馈信号，进行模数转换后参与控制逻辑运算，同时将来自自动控制单元的信号经数模转换输出到阀门和变频调速单元。

变频调速单元接收输入/输出单元的控制信号，用于设备启停、进料速率控制，并反馈设备状态、设备进料速率等信号给输入/输出单元。

干污泥给料装置包括用于干污泥暂存的缓冲仓、用于干污泥称重的计量槽、用于缓冲仓至计量槽的干污泥卸料机、用于投料的干污泥给料机。给料装置间歇性运行，保持计量槽内干污泥在一定重量范围内。干污泥给料机通过变频调速单元驱动运行。

湿污泥进料装置包括用于湿污泥输送的污泥泵、用于隔离混料器与湿污泥输送设备的阀门。污泥泵通过变频调速单元驱动运行。混料器将干污泥和湿污泥在进入流化床焚烧炉前进行均匀混合。

测温单元包括布置于流化床焚烧炉砂床流化层的温度测点和温度测量变送仪表。共有三个温度测点，在焚烧炉砂床流化层上中下分布。测压单元包括布置于流化床焚烧炉上部的压力测点和压力变送仪表。计量单元包括布置于计量槽底部的称重传感器和变送器，以及布置与湿污泥投加管道上的湿污泥流量计和变送仪表。

污泥配比控制器完成三个主要的运算：一是通过流化床焚烧炉砂床流化层温度三取高运算作为计算温度参考，周期性运行进料配比算法，获得当前干污泥供泥量设定值和当前湿污泥供泥量设定值，分别作为干污泥流量控制器和湿污泥控制器设定值；二是通过流化床焚烧炉砂床流化层温度三取二逻辑运算完成焚烧炉进泥超调高温报警，并适时投入和切除自动控制过程；三是通过流化床焚烧炉上部压力完成焚烧状况超压报警，并适时投入和切除自动控制过程。

干污泥流量控制器完成三个主要的运算：一是通过计量槽单位时间t内的重量减量进行干污泥投入量计算；二是通过计量槽称重数据高低限值决定停止或启动干污泥输送给料装置，保持计量槽内干污泥储量在一定重量范围内；三是通过干污泥投入量和污泥配比控制器结果给出的计算干污泥供泥量设定值进行闭环运算，控制变频调速单元驱动干污泥给料机按一定速率投入干污泥，同时接收变频调速单元的状态反馈。

湿污泥流量控制器完成两个主要的运算：一是通过湿污泥流量与污泥配比控制器计算结果给出的计算湿污泥供泥量设定值进行闭环运算，控制变频调速单元驱动污泥泵按一定速率投入湿污泥，同时接收变频调速单元的状态反馈；二是控制用于隔离混料器与湿污泥输送设备的阀门在污泥泵投入和切除时阀门的开闭动作，并接收阀门的开闭限位信号。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。